(57)【要約】    【目的】振動することがなく且つ安価で小型軽量のパルスチューブ冷凍機の位相制御機構を提供する。    【構成】イナータンスチューブ41bの内の、高温端部34からの導入部411を除くコイル部412bを固定具414で一体にしてバッファタンク42aの内部に収容し固定している。コイル状の部分が固定されるので振動し難くなり、バッファタンク内ではイナータンスチューブの内外圧力差が大幅に小さくなるので、管の肉厚を薄くでき、樹脂製管を使用することも可能となる。【選択図】        図１
2006017422.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
封入された作動ガスの圧縮機による圧縮および膨張の繰返しによって作動ガスの流路の所定部分を極低温に冷却するパルスチューブ冷凍機の位相制御機構であって、
前記位相制御機構の構成要素であるイナータンスチューブおよびバッファタンクの内のイナータンスチューブの少なくとも一部分を、バッファタンクの内部に固定して収容している、
ことを特徴とするパルスチューブ冷凍機の位相制御機構。
【請求項２】
バッファタンクの内部に固定されて収容されている前記のイナータンスチューブの部分を樹脂製としている、
ことを特徴とする請求項１に記載のパルスチューブ冷凍機の位相制御機構。
【請求項３】
前記バッファタンクとして前記圧縮機のケースと一体化されているバッファタンクを備えている、
ことを特徴とする請求項１に記載のパルスチューブ冷凍機の位相制御機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、極低温冷凍機であるパルスチューブ冷凍機の位相制御機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体窒素温度のような極低温を発生する小型の冷凍機としては、パルスチューブ冷凍機がよく知られている。
図3および図4は、このパルスチューブ冷凍機の従来例の構成を示す概念図である。パルスチューブ冷凍機は、圧縮機１、高温側熱交換器２、膨張機３および位相制御機構４で構成されている。圧縮機１は、一対のリニアモータ（図ではモータ）11と、これらによって左右に往復駆動される一対のピストン12と、ピストン12の外側を囲み、中央に作動ガスの出入り口を有するシリンダ13と、これらの外側を作動ガスの出入り口を除いて気密に包むケース14と、からなる。膨張機３は、蓄冷器31と低温端部32とパルスチューブ（図ではパルス管）33と高温端部34からなる。位相制御機構４は、イナータンスチューブ41または41aとバッファタンク42からなる。イナータンスチューブは、内径２〜３mm程度の金属管で、２〜４ｍ程度の長さを有し、大部分をコイル状に成形されている。
【０００３】
パルスチューブ冷凍機が極低温を発生する動作原理は、以下の通りに理解されている。
この冷凍機においては、極低温を発生するための作動ガスとしてヘリウムガス等が用いられる。作動ガスは、圧縮機1から位相制御機構4までの内部空間に１〜３ＭPa程度の圧力で封入され、圧縮機１によって圧縮と膨張とを繰り返される。圧縮機1のピストン12で圧縮された作動ガスは、高温側熱交換器２に流入し、ここで圧縮熱を放散する。位相制御機構４へ流出する作動ガスの圧力は位相制御機構４の位相制御作用によって制御され、蓄冷器31から低温端部32を通ってパルスチューブ33へ流入する作動ガスが、膨張仕事を行って低温端部32を冷却する。一方、高温端部34からは、膨張仕事に相当する熱量が放熱される。ピストン12が吸引方向に動作すると、低温化した作動ガスは低温端部32および蓄冷器31を冷却しながら圧縮機１に戻る。この作動ガスの往復運動の繰返しによって、低温端部32に100K以下の極低温が得られる。
【０００４】
上述した構成のパルスチューブ冷凍機のイナータンスチューブ41または41aは、高温端部34につながる導入部411と中間のコイル状に成形されたコイル部412または412aとバッファタンク42につながる導出部413とを有し、金属のパイプを成形して作られる。バッファタンク42は、プレス加工または機械加工で製作される。両者は、溶接やろう付け等の接合や、金属シール等の機械的気密接続法で接続される。
このようなパルスチューブ冷凍機の構造や動作は、例えば特許文献１および特許文献２に開示されている。
【特許文献１】特開2002−206816号公報
【特許文献２】特開2004−28501号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、従来技術によるパルスチューブ冷凍機の位相制御機構4であるイナータンスチューブ41または41aとバッファタンク42は、他の部品とは別個に製作され、パルスチューブ冷凍機に組み込まれる。図3に示したイナータンスチューブ41の場合には、導入部411とコイル部412と導出部413がそれぞれにスペースを占有するので、パルスチューブ冷凍機の占めるスペースが大きい。スペースを小さくするために、図４の場合のように、イナータンスチューブ41aのコイル部412aを圧縮機１のケース14の外周に巻きつけると、圧縮機1からの振動がコイル部412aと干渉し、イナータンスチューブ41aを異常に振動させて異音を発生させることがある。
更に、上述したように、イナータンスチューブ41または41aの内部にも１〜３ＭPa程度の圧力の作動ガスが封入されており、イナータンスチューブ41または41aには、この封入圧と圧縮機１が発生する圧力振動に伴う作動圧とを加算した圧力が内圧としてかかるので、この圧力に耐えるだけの強度が求められ、金属製で肉厚の管が使われている。このため、イナータンスチューブの成形加工は難しく、材料費も加工コストも高い。バッファタンク42も同様であって、そのコストも高い。
【０００６】
この発明の課題は、上記のような問題点を解消して、振動することがなく且つ安価で小型軽量のパルスチューブ冷凍機の位相制御機構を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明は、パルスチューブ冷凍機の内部に封入される作動ガスの封入圧に比べて、圧縮機によって作動ガスに圧縮および膨張として印加される圧力の振幅の方がはるかに小さいこと、に基づいて着想されたものである。すなわち、作動ガスの封入圧は、前述したように、１〜３ＭPa程度と大気圧の10倍から30倍であるのに対して、圧縮機により作動ガスにかけられ圧力のパルスチューブ冷凍機内部の位置による圧力の差は封入圧の10分の１程度と小さいので、外部に大気圧を受けている部分の内の一部を、この圧力差のみを受ける状態に置き換えることができれば、その部分が必要とする耐圧力を大幅に低減させることができる、という考え方に基づいている。
請求項１の発明は、封入された作動ガスの圧縮機による圧縮および膨張の繰返しによって作動ガスの流路の所定部分を極低温に冷却するパルスチューブ冷凍機の位相制御機構であって、前記位相制御機構の構成要素であるイナータンスチューブおよびバッファタンクの内のイナータンスチューブの少なくとも一部分を、バッファタンクの内部に固定して収納している。
【０００８】
バッファタンクの内部に収納されているイナータンスチューブの部分は、バッファタンク内の圧力を外部から受けるので、その部分の管の内外圧差が大幅に低減し、その部分の管の肉厚を大幅に薄くすることができる。また、作動ガスとしてはヘリウム等の清浄な不活性ガスが使用されるので、バッファタンクの内部に収納されるイナータンスチューブの部分は、耐食性や防錆処理を必要としない。更に、バッファタンクの内部に固定して収納されるので、イナータンスチューブの振動が抑制される。
請求項２の発明は、請求項１の発明において、バッファタンクの内部に固定されて収納されている前記のイナータンスチューブの部分を樹脂製としている。
バッファタンクの内部に固定されて収納されているイナータンスチューブの部分は、請求項１の発明で説明したように、管の内外圧差が大幅に低減するので、アウトガスの少ない樹脂管をその材料として採用することができるようになる。
【０００９】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記バッファタンクとして前記圧縮機のケースと一体化されているバッファタンクを備えている。
バッファタンクを圧縮機のケースと一体化することによって、部品点数を減らすことができる。更に、圧縮機のケースとの隔壁部分は、受ける圧力差が小さいので、それに見合う強度を有する薄い隔壁とすることができる。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１の発明においては、イナータンスチューブの少なくとも一部分をバッファタンクの内部に固定して収納しているので、イナータンスチューブのバッファタンク内に収納されている部分は、その肉厚を薄くすることができ、その部分には耐食性や防錆処理を必要とせず、且つ占めるスペースも少なくて済み、その部分の固定の効果によって、イナータンスチューブの振動を抑制することができる。したがって、この発明によれば、振動することがなく且つ安価で小型軽量のパルスチューブ冷凍機の位相制御機構を提供することができる。
請求項２の発明においては、バッファタンクの内部に固定されて収納されているイナータンスチューブの部分を樹脂製としている。この部分は、請求項１の発明で説明したように、管の内外圧差が大幅に低減するので、その効果によって、アウトガスの少ない樹脂管をその材料として採用することができるようになる。したがって、この発明によれば、パルスチューブ冷凍機の位相制御機構のコストを更に低減することができる。
【００１１】
請求項３の発明においては、バッファタンクとして圧縮機のケースと一体化されているバッファタンクを備えている。バッファタンクを圧縮機のケースと一体化することによって、部品点数を減らすことができる。更に、圧縮機のケースとの隔壁部分は、受ける圧力差が小さいので、それに見合う強度を有する薄い隔壁とすることができる。したがって、この発明によれば、パルスチューブ冷凍機の位相制御機構のコストと重量を更に低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
この発明を実施するための最良の形態について実施例を用いて説明する。
なお、従来技術と同じ機能の部分には同じ符号を付ける。
【実施例１】
【００１３】
図１は、この発明によるパルスチューブ冷凍機の位相制御機構の実施例１の構成を示し、（ａ）は冷凍機全体の概念図、（ｂ）はそのイナータンスチューブのコイル部の概念図である。
この実施例を用いたパルスチューブ冷凍機は、位相制御機構4aを除くと従来例と全く同じ構成であるので、位相制御機構4aのみを説明し、他の部分の説明は省略する。
この実施例の位相制御機構4aは、導入部411およびコイル部412bからなるイナータンスチューブ41bと、コイル部41bを一体に固定する固定具414と、固定具414で振動しないように一体化されたコイル部41bを内蔵しているバッファタンク42aと、で構成されている。イナータンスチューブ41bの導入部411は、従来例と同じ材料（厚肉の耐食性を有する材料：例えばステンレスパイプやニッケルメッキされた銅パイプ）で製作されているが、コイル部412bは、きれいに洗浄され脱ガスされた薄肉の銅パイプで製作されている。コイル部412bが薄肉の銅パイプで製作可能となる理由は、「課題を解決するための手段」の項で説明したように、バッファタンク42a内に収容されるので、管の内外圧力差が小さくなり、雰囲気が清浄な不活性ガス雰囲気となるからである。固定具414で一体化されたコイル部412bは、バッファタンク42aの内部へ圧入または部分溶接で固定されている。コイル部412bの終端はバッファタンク42a内に開口していて、この実施例のイナータンスチューブ41bには、従来例のような導出部はない。
【００１４】
この実施例によれば、イナータンスチューブ41bの長さの大部分を占めるコイル部412bを、成形の容易なメッキのない薄肉の銅管で作製することができ、且つコイル部412bをバッファタンク42aに内臓するので、材料費および加工コストを低減することができ、且つ小型軽量化できる。更に、コイル部412bが一体化されて固定されるので、イナータンスチューブ41bが振動することはない。
以上の説明においては、コイル部412bを薄肉の銅管で製作しているが、アウトガスの少ない樹脂管、例えばテフロン(登録商標)管、とすることもできる。コイル部412bを樹脂管とする場合には、成形加工が簡単になり、組立工数も低減するので、コストをより一層低減させることができる。
【実施例２】
【００１５】
図２は、この発明によるパルスチューブ冷凍機の位相制御機構の実施例２の構成を示し、（ａ）は冷凍機全体の概念図、（ｂ）はそのバッファタンクおよびイナータンスチューブのコイル部の構成を示す概念図である。
この実施例は、圧縮機のケースとバッファタンクとを一体化したものであり、イナータンスチューブのコイル部は、実施例1と同様に、バッファタンク内に固定されて収容されている。
この実施例のケース15は、圧縮機１のケースの側面にバッファタンク42bを一体化した構造になっており、両者の間を仕切り151で仕切っている。コイル部412cは中空のドーナツ状をした固定具414a内に収納されて固定され、固定具414aが部分溶接によってケース15に固定されている。
【００１６】
この実施例では、実施例1と同様の効果に加えて、圧縮機のケースとバッファタンクとが一体化されたことによって、部品点数が減り、全体の構成がより簡素化され、同時に、仕切り151にかかる圧力差が作動ガスの差圧のみとなるので、仕切り151が肉薄にできる。この結果として、この実施例は実施例1よりも更に小型軽量化される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】この発明によるパルスチューブ冷凍機の位相制御機構の実施例１の構成を示し、（ａ）は冷凍機全体の概念図、（ｂ）はそのイナータンスチューブのコイル部の概念図
【図２】この発明によるパルスチューブ冷凍機の位相制御機構の実施例２の構成を示し、（ａ）は冷凍機全体の概念図、（ｂ）はそのバッファタンクおよびイナータンスチューブのコイル部の構成を示す概念図
【図３】従来技術によるパルスチューブ冷凍機の位相制御機構の一例の構成を示す冷凍機全体の概念図
【図４】従来技術によるパルスチューブ冷凍機の位相制御機構の他例の構成を示す圧縮機近傍の部分概念図
【符号の説明】
【００１８】
１  圧縮機
11  モータ                        12  ピストン
13  シリンダ                      14  ケース
15  ケース                          151  仕切り
２  高温側熱交換器
３  膨張機
31  蓄冷器                        32  低温端部
33  パルスチューブ（パルス管）    34  高温端部
４、4a、4b  位相制御機構
41、41a、41b、41c  イナータンスチューブ
411  導入部
412、412a、412b、412c  コイル部
413  導出部
414、414a  固定具
42、42a、42b  バッファタンク
【図１】
2006017422.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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